About the life of the digital optical disc (projet ODON): to the predictive model of the duration of their use

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1 Optimisation des stratégies de décodage des disques optiques numériques (projet ODON) Application à la caractérisation de leur durée de vie par corrélation des erreurs à l analyse chimique About the life of the digital optical disc (projet ODON): to the predictive model of the duration of their use Olivier Adam 1, Jean-Marc Fontaine 1, François Bertholon 1, Jean-Dominique Polack 1, Steeve Collin 2,3, Sandrine Thérias 2, Pierre-Olivier Bussière 2, Jean-Luc Gardette 2 1. Institut Jean-le-Rond-d Alembert, équipe LAM, UMR 7190 CNRS / Université UPMC, 4 place Jussieu, Paris Cedex Équipe Photochimie, Institut de chimie de Clermont-Ferrand (ICCF), UMR 6296 Université Blaise-Pascal / CNRS / École nationale supérieure de chimie de Clermont-Ferrand, 24 avenue des Landais, BP 80026, Aubière Cedex 3. Laboratoire national de métrologie et d essais (LNE), 29 rue Roger-Hennequin, Trappes Cedex Responsable du projet : Olivier Adam, adam@lam.jussieu.fr Projet sélectionné par le PNRCC en 2011 Résumé L utilisation des disques optiques numériques pour le stockage de données se heurte à la longévité de ces supports dont il est difficile d avoir une idée précise sur la durée. Ils sont vendus comme étant la solution d archivage à vie ; plusieurs études récentes ont pourtant montré que la lecture des données enregistrées sur les disques optiques pouvait, au contraire, s avérer problématique après un certain temps. Si l on veut proposer un modèle de vieillissement de ces disques, plusieurs paramètres sont à prendre en compte qui vont de leurs propriétés chimiques aux conditions dans lesquelles ils sont stockés. Il faut également tenir compte des performances des graveurs. Ce projet vise à mettre en évidence le processus d apparition des erreurs, notamment par l effet de la lumière et de l humidité sur les supports. Abstract Digital optical discs are showed as an attractive approach for long term data storage but it is difficult to know a priori information about its life duration. Recent studies showed that these discs could have a very short time for normal use. Many different parameters have to be taken in account to define a fine robust model for the prediction of the time variations of the error rate, especially light and humidity. Performance of the disc burners is important too in this process. The objective of this project is to propose a model to predict the error rate and to anticipate the end of the disc life. Mots clés : archive, disque optique numérique, taux d erreur, vieillissement, durée de vie Keywords: data storage, digital optical disc, error rate, ageing, life duration 126 / Actes du colloque Sciences des matériaux du patrimoine culturel 2 Paris, 20 et 21 novembre 2012

2 Introduction Depuis les années 1980, avec l arrivée du disque compact (CD), les supports dédiés au stockage des données numériques se sont diversifiés, principalement dans le souci d un meilleur rapport entre prix et taille de la mémoire. Même s il s agit d un paramètre important, on peut douter que la durée de vie du support ait été le critère principal pour la commercialisation de tels produits et, à ce jour, leur diffusion ne s accompagne pas d un label spécifique pouvant servir, pour l utilisateur, d indicateur sur la qualité de stockage des informations. Pourtant, la conservation des données numériques se pose, à plusieurs niveaux en fonction de leur importance pour nos sociétés. Ces niveaux vont de l utilisation instantanée à la nécessité d une sauvegarde sur une ou plusieurs décennies, voire au-delà. Ces besoins de conservation dépendent des applications prévues pour ces données : de l usage personnel à la sécurité nationale par exemple. Il faut ajouter à cela l explosion exponentielle des données numériques, du fait de capteurs de plus en plus performants disponibles à des prix de plus en plus accessibles. Ainsi, d un côté, sont développées des techniques générant de plus en plus de données numériques, et de l autre, sont proposées des approches de compression pour pouvoir transférer et stocker ces données. Dans un monde tout numérique qui voit l avènement continu de nouvelles technologies, l intérêt de travaux sur la longévité des données est, dans bien des domaines, vital. L utilisation des disques optiques numériques pour le stockage de données se heurte à la longévité de ces supports, dont il est difficile d avoir une idée précise. S ils sont vendus comme étant la solution d archivage à vie, plusieurs études récentes ont pourtant montré leurs limites, en termes de durée, pour une bonne lecture des données [1, 2, 3]. Si l on veut proposer un modèle de vieillissement de ces disques, plusieurs paramètres sont à prendre en compte, allant de leurs propriétés chimiques aux conditions dans lesquelles ils sont stockés. Il faut également tenir compte des performances des graveurs. Ce projet vise à mettre en évidence le processus d apparition d altérations de l information, traduites par des erreurs, notamment sous l effet de la lumière sur les supports. Il s agit également de mesurer les signaux de sortie des lasers des différentes plateformes pour détecter, notamment, la présence de tâches sur des disques vieillis. L objectif est de reconstituer l image des disques à partir de ces signaux, pour mettre en évidence d éventuelles tâches ou d autres défauts, et cela aussi bien pour les disques vierges que gravés. Ces défauts génèrent une chute de tension de durée proportionnelle à la grosseur de la tâche. Ces observations permettent ainsi de faire un suivi des défauts au cours du temps. Nous nous intéressons également à des méthodes modernes de correction d erreurs, dans le but de reculer la date de péremption de ces disques. Questions et hypothèses scientifiques Peut-on retrouver une donnée numérique sur un support dégradé? La présence d erreurs sur un disque peut avoir des origines diverses (figure 1). Ceci étant dit, avec les archives numériques, pour la première fois, la copie peut être de meilleure qualité que l original. Cela signifie que la présence d erreurs sur un disque n est pas dramatique en soi, tant qu elles sont suffisamment faibles pour qu au cours de l étape de la lecture, il soit possible de reconstituer les données perdues. Par contre, à partir d un certain seuil, qui reste à définir, la donnée sera définitivement irrécupérable. Dans le projet ODON, nous nous intéressons d une part à l évaluation de cette étape de transition entre le moment où une dégradation sur le support permet ou ne permet plus la récupération de la donnée, et d autre part à la proposition d une méthode de détection d erreurs plus moderne que celles actuellement proposées sur les platines de lecture. Figure 1. Présence d erreurs sur un CD. Quel est le processus de dégradation d un tel support numérique? Plusieurs paramètres sont à considérer : le support lui-même ; les modalités de fabrication, qui sont probablement une des clés permettant l explication de leur longévité : matériaux utilisés, qualité de leur mise en œuvre ; la précaution prise pour l inscription des données sur ce support ; la manipulation (régulière ou pas) des supports gravés et leurs conditions de stockage, critères de longévité particulièrement importants ; enfin, les performances des lecteurs. Ces paramètres doivent être intégrés conjointement pour définir un modèle de vieillissement. L objectif d un tel modèle est de prédire l évolution temporelle d un support et, idéalement, d anticiper sa dégradation pour conserver les données qui s y trouvent stockées. Caractérisation des erreurs à partir de l analyse du signal laser La connaissance de la présence d erreurs est cruciale pour caractériser le vieillissement d un disque numérique. Les analyseurs de disque donnent une information globale, intégrant un très grand nombre de trames. Dans notre projet, nous avons voulu nous focaliser au niveau de la trame par Actes du colloque Sciences des matériaux du patrimoine culturel 2 Paris, 20 et 21 novembre 2012 / 127

3 Figure 2. Exemple de pits d un CD pressé. Figure 4. Exemple de synchronisation/désynchronisation sur un CD entre le signal laser et l horloge. Figure 3. Signal issu du laser du CATS pour un CD pressé. Figure 5. Chute de tension due à la présence d une rayure sur un CD. l extraction de chaque bit. L objectif est d avoir une description la plus fine possible de chaque trame posée sur le disque, et d indiquer si elle contient ou pas une ou plusieurs erreurs. La méthode retenue est donc de mesurer le signal sortie du laser des platines de lecture afin de caractériser l accès direct aux données, en se plaçant en amont des étages de correcteurs d erreur intégrés. Plusieurs études ont montré la présence de défauts (dégradations, tâches) rendant difficile voire impossible la lecture des données. Car la lecture est basée sur la réflectivité du support, la performance du laser, l asservissement mécanique de la tête de lecture qui permet de suivre les trames successives. Ceci explique que pour un même disque présentant des erreurs, certains lecteurs arrivent à le lire et d autres non. La gravure se fait sur un substrat réfléchissant des creux de différentes longueurs qu on appelle des pits, entrecoupés par des zones plates appelées les lands (figure 2). La lecture du laser sur un pit crée des interférences avec la réflexion du signal optique sur le substrat. Il y a modulation de l inten sité du laser et c est ce qui rend possible la lecture des données. Le symbole «1» est alors représenté par un changement de zones (passage d un pit à un land ou passage d un land à un pit) qui correspond à une variation du signal du laser, et le «0» est représenté par une non-variation du signal (quand on est sur un pit ou sur un land). Il s agit du format NRZI (Non-Return Zero Inverted). L acquisition de chaque symbole se fait en synchronisation avec une horloge. Le laser commence par lire sur la piste la plus à l intérieur du disque (situé à 24 mm du centre). La distance du laser à la piste est réglée de manière à avoir un focus. Du fait de ce focus, l observation d un changement pit/land ou land/pit nécessite une longueur minimale, qui correspond à la lecture de deux symboles entre deux changements de zones (pit/land et land/pit), impliquant la présence d au moins deux «0» entre deux «1». L acquisition se fait via une carte analogique-numérique à des taux d échantillonnage supérieurs à 20 MHz, pilotée par un ordinateur équipé d un disque SSD de 200 Go. Les CD sont lus via un analyseur CATS ou un lecteur de CD audio de marque Studer (figure 3). Cette méthode permet de visualiser la présence d erreurs, dues par exemple à la désynchronisation avec l horloge (figure 4). L analyse du signal laser permet de reconstituer les bits contenus dans les trames posées sur les disques. Elle permet également de mettre en évidence des erreurs, comme la présence d une rayure (figure 5). Étude des évolutions physico-chimiques des constituants de CD-R Les disques optiques numériques (CD, DVD et Blu-Ray) sont des structures multicouches obtenues par l assemblage de différents matériaux. Un CD enregistrable (CD-R) est, 128 / Actes du colloque Sciences des matériaux du patrimoine culturel 2 Paris, 20 et 21 novembre 2012

4 Vernis de protection Couche réfléchissante Couche enregistrable (dye) Polycarbonate (1,2 mm) Figure 6. Structure d un CD-R. Figure 7. Analyse par AFM d une couche réfléchissante d un CD-R vierge stocké 8 ans (pointe silicium, mode tapping). Figure 8. Analyse par AFM du sillon d un substrat en polycarbonate (mode tapping) avant vieillissement (à gauche), et après 180 heures de photovieillissement accéléré (SEPAP 12/24) (à droite). profondeur (µm) longueur (nm) Figure 9. Observation au microscope du vernis de protection d un CD-R Verbatim immergé 71 heures (en haut) et profil d une goutte piégée dans le vernis de protection (en bas). par exemple, constitué d un substrat en polycarbonate, d une couche enregistrable appelée «dye», d une couche métallique réfléchissante et d un vernis de protection (figure 6). Chacun de ces matériaux est susceptible de subir des réactions de vieillissement et par conséquent d évoluer au cours du temps. L évolution du signal optique ou l apparition d erreurs numériques résultent d évolutions physico-chimiques de l un ou de plusieurs de ces constituants. Ces évolutions peuvent être étudiées à l aide de différentes techniques d analyse : microscopies, spectroscopies, mesures de dureté Une attention particulière doit être portée aux réactions affectant directement les propriétés fonctionnelles de ces matériaux. Par exemple, une évolution topographique du polycarbonate ou de la couche réfléchissante pourrait modifier le trajet optique du laser lors de la lecture et conduire à l apparition d erreurs numériques. Ce type de modification a été observé dans le cas du «vieillissement naturel» (stockage) d un modèle de CD-R pendant environ 8 ans. La caractérisation de la couche réfléchissante par microscopie à force atomique (AFM) a permis de mettre en évidence la présence de «tâches» pouvant nuire à la conservation des données (figure 7). Le vieillissement des disques optiques intervient au cours de périodes de stockage qui ne peuvent pas être accélérées au laboratoire de façon représentative. La démarche que nous avons adoptée consiste à appliquer différentes contraintes sur les constituants de CD-R et à caractériser les évolutions physico-chimiques provoquées par ces contraintes. Trois types de contrainte ont été choisis : photochimique (photovieillissements accélérés en enceintes SEPAP 12/24) ; thermique (vieillissement en étuves) ; d humidité (tests d immersion dans de l eau). Les dyes de CD-R sont caractérisés par des propriétés d absorp tion et de réfraction. De précédentes études ont montré que ces propriétés pouvaient subir des modifications importantes lors de vieillissements photochimiques en solutions [4]. Des photovieillissements de substrats en polycarbonate permettent, en particulier, de mettre en évidence une évolution topographique du sillon [5] et de révéler la réactivité du polycarbonate vis-à-vis de la lumière (figure 8). D autre part, les irradiations conduisent également à des évolutions importantes des propriétés mécaniques de surface du polycarbonate [6] qui sont corrélées à des modifications de structure chimique des macromolécules. Ces changements mécaniques (perte de ductilité) pourraient affecter la structure entière du CD-R. Impact de l humidité L air ambiant contient une quantité non négligeable de vapeur d eau. Le polycarbonate est un polymère perméable à l eau. La diffusion d eau à l intérieur d un CD-R pourrait conduire à des modifications des différentes couches et ainsi Actes du colloque Sciences des matériaux du patrimoine culturel 2 Paris, 20 et 21 novembre 2012 / 129

5 sont observables après quelques centaines heures d immersion (figure 10). Ces analyses indiquent que de l eau peut diffuser à l intérieur d un CD-R. La formation de gouttelettes pourrait conduire à une altération des couches enregistrable et réfléchissante. Figure 10. Observation au microscope de la couche réfléchissante d un CD-R Verbatim immergé durant 834 heures, en mode réflexion (à gauche) et en mode transmission (à droite). altérer les données stockées. L impact de l eau peut être mécanique (érosion, déformations ) ou chimique (réactions d hydrolyse). Afin de déterminer une éventuelle interaction de l eau avec les constituants de CD, des CD-R entiers ont été immergés dans de l eau à température ambiante. Des analyses par microscopie optique ont ensuite été effectuées après différentes périodes d immersion. L immersion conduit, après quelques dizaines d heures, à la formation de gouttelettes dans le vernis de protection (figure 9). Les analyses indiquent que le vernis de protection, dont le rôle principal est d assurer des propriétés barrières, semble très sensible à l humidité. Elles ont également mis en évidence la formation de gouttelettes piégées à l interface du polycarbonate et de la couche réfléchissante. Ces gouttes Conclusion Les disques numériques sont des supports qui évoluent au cours du temps, ce qui peut mettre en péril les données numériques qui y sont gravées. Nous nous sommes inté - ressés, dans le cadre de cette étude, à la prédiction des dégradations pour anticiper ces éventuelles pertes. Pour cela, il nous a semblé important de focaliser l étude d une part sur l exposition de ce support à l humidité en particulier, et d autre part sur le signal issu du laser de la platine, témoin direct de la réflectivité du disque et donc de la présence d erreurs sur les pits et les lands. Les premiers résultats montrent une difficulté pour établir un modèle de longévité de supports numériques. L analyse des signaux issus directement des lasers est une piste intéressante pour caractériser l évolution du taux de réflectivité, donc de la qualité de lecture et par conséquent de la possibilité de recouvrer les données. Par ailleurs, l analyse chimique a montré une grande disparité des comportements de ces supports, avec une sensibilité en particulier à l humidité. Bibliographie 1. Carou A., Nguyen T.P., 2005, Contribution à l étude du vieillissement des CD - Recherche sur les collections de la Bibliothèque nationale de France, bibnum.bnf.fr/conservation/etudecdbnfjuin2005.pdf 2. Fontaine J.-M., Poitevineau J., 2005, Are there criteria to evaluate optical disc quality that are relevant for end-users?, AES Convention Paper. 3. Hourcade J.-C., Laloe F., Spitz E., 2010, Longévité de l information numérique, Editions EDP Sciences (academie-sciences.fr/activite/rapport/ rc0310.htm) 4. Rollet F., Morlat-Thérias S., Gardette J.-L., Fontaine J.-M., Perdereau J., Polack J.-D., 2008, Identification of parameters involved in the photochemically induced degradation of CD-R phthalocyanine dye, Journal of Cultural Heritage, 9, p Rollet F., Morlat-Thérias S., Gardette J.-L., 2009, AFM analysis of CD- R photoageing, Polymer Degradation and Stability, 94, p Collin S., Bussière P.-O., Thérias S., Lambert J.-M., Perdereau J., Gardette J.-L., 2012, Physicochemical and mechanical impacts of photoageing on bisphenol A polycarbonate, Polymer Degradation and Stability, 97, p / Actes du colloque Sciences des matériaux du patrimoine culturel 2 Paris, 20 et 21 novembre 2012